DD220851A1 - Schaltungsanordnung zur steuerung der stickstoff- und phosphorversorgung von fermentationsprozessen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Steuerung von Fermentationsprozessen. Sie hat das Ziel, die Stickstoff- und Phosphorversorgung so einzustellen, dass der Prozess in Abhaengigkeit von der verfuegbaren Substratmenge und der Substratzusammensetzung mit diesen Naehrstoffen optimal versorgt wird. Das Wesen der Schaltungsanordnung besteht darin, dass aus den Informationen ueber die Zulaufmengen von Phosphor, Stickstoff und Kohlenstoffquelle sowie den Konzentrationen von Biomasse, Phosphor und Stickstoff im Fermentorablauf sowie ueber die Fermentorablaufmenge die Sollwerte fuer die Dosierung von Stickstoff und Phosphor abgeleitet werden. Die Aufgabe wird erfindungsgemaess durch eine Schaltungsanordnung von 7 Operatoren (1 Identifikator, 3 Determinatoren und 3 Kalkulatoren) sowie zwei Reglern geloest. Die Verknuepfung der Operatoren und Regler ist auf einer Zeichnung als Beispiel dargestellt. Die Erfindung ist fuer die Steuerung beliebiger kontinuierlicher Fermentationsprozesse anwendbar. Fig. 1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung .. ' .

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur automatischen Steuerung des kontinuierlichen Aufzuchtprozesses von Mikroorganismen in einem Fermentor, die in der mikrobiologischen Industrie genutzt werden kann.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bei beliebigen Fermentationsprozessen müssen für die wachsende mikrobieHe Kultur bestimmte Milieubedingungen, z. B. V Temperatur, pH-Wert, Nährstoffkonzentrationen, Konzentration der Kohlenstoffquelle, eingestellt werden, um ein in Hinsicht auf ein technisch ökonomisches Kriterium optimales Wachstum zu gewährleisten.

Für die Gewährleistung optimaler Konzentrationen von Nährstoffen und Kohlenstoffquelle werden dem Stand der Technik entsprechend entweder die Komponenten nach vorgegebenen Rezepturen zudosiert und entsprechend den Ergebnissen von Laboranalysen der Zusammensetzung im Fermentor Korrekturen vorgenommen, öderes wird die Konzentration einzelner Komponenten mittels automatischer Analysengeräte gemessen und die Aüfrechterhaltung der Sollkonzentration im Fermentor durch einschleifige Regelkreise realisiert. Gemäß SU-Urheberschein Nr.274O68 ist ein Verfahren zur automatischen Steuerung des Zubereitungsprozesses eines Melasse-Hydrolysat-Mediums bekannt, bei dem mittels Stabilisierung des einer Mischvorrichtung zugeführten Wasser- und Hydrolysatstromes und einer Standmessung des Melasse-Hydrolysat-Mediums in der Mischvorrichtung, der Messung des Melasseverbrauchesiind des Verhältnisses der Ströme „Wasser-Hydrolysat", „Wasser-Melasse" und der Korrektur des letzteren ^Abhängigkeit von der Zuckerkonzentration im Melasse-Hydrolysat-Medium optimale Bedingungen für die Nährstoffversorgungen eingestellt werden. Eine Korrektur der Zusammensetzung eines aus einer größeren Anzahl von Komponenten zu mischenden Nährmediums mit dem Ziel der Gewährleistung eines optimalen Verhältnisses zwischen den Komponenten und einer ausreichenden Versorgung der mikrobiologischen Kultur ist durch dieses Verfahren nicht realisierbar. Nach SU-Urheberschein Nr.452579 ist außerdem ein Verfahren zur automatischen Steuerung des Zubereitungsprozesses eines Nährmediums bekannt, bei dem die Zugabe der Nährstoffkomponenten und des technologischen Wassers nach dem Verbrauch geregelt wird. Da eine direkte qualitative Bewertung der Komponentenkonzentration im Bioreaktormedium und eine entsprechende Korrektur der Dosierung bei Abweichung von den optimalen Bedingungen fehlt, können mit diesem Verfahren zwar die Nährstoffkonzentrationen im Bioreaktor hinreichend konstant gehalten werden, es ist jedoch nicht möglich, automatisch auf sich ändernde Wachstumsbedingungen durch Änderung der Konzentrationsverhältnisse im Bioreaktor zu reagieren. Am ähnlichsten ist der Erfindung ein Verfahren zur Regelung der Kultivierung von Mikroorganismen (DD WP 159265). Bei diesem Verfahren wird auf der Grundlage eines konstanten spezifischen Verbrauchskoeffizienten für Stickstoff durch Bestimmung der vollständigen Bilanz die Produktivität des Prozesses ermitelt und mittels einer Vorschrift werden hieraus die erforderlichen Mengen für Nährlösung und Kohlenstoffquelle berechnet.

Dabei wird Stickstoff als Leitkomponente verwendet, und die anderen Nährstoffe werden im festen Verhältnis zum Stickstoff , dosiert.

Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß zwar die optimale Stickstoffkonzentration automatisch eingestellt wird, aber auf Veränderung der Wachstumsbedingungen nicht mit daraus resultierenden Änderungen der optimalen Verhältnisse der Komponenten untereinander automatisch reagiert wird.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung zu schaffen, die es ermöglicht, die Stickstoff bzw. Phosphor enthaltenen Stoffströme so einzustellen, daß der Prozeß in Abhängigkeit vom Zustand der mikrobiologischen Kultur und in Abhängigkeit von der verfügbaren Substratmenge und der Substratzusammensetzung die für die Erreichung maximaler Produktion eines Zielproduktes erforderliche Stickstoff-und Phosphormenge erhält.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung von Steuereinrichtungen so zu erstellen, daß die Zuführung von Stickstoff und Phosphor zum Fermentationsprozeß sowohl beim Auftreten von Schwankungen im Substratangebot als auch in Abhängigkeit von der Stickstoff- und Phosphorkonzentration in den aus der Aufarbeitung rückgeführten Stoffströmen und in Abhängigkeit vom Zustand der mikrobiologischen Kultur so gesteuert wird, daß die für dl.; Erreichung maximaler Produktion eines Ziel Produktes erforderliche Konzentration dieser Stoffe im Fermentor gewährleistet ..ist.. ; ' . . - .. . .. .. .,

Das Wesen der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung besteht darin, daß aus den Informationen über die Konzentration von Stickstoff, Phosphor und Biomasse im Fermentorablauf sowie über die abgeführte Suspensionsmenge und aus den Informationen über die Zulaufmengen und die Konzentration von Stickstoff und Phosphor in den Zulaufströmen sowie über die Konzentration an utilisierbarem Kohlenstoff im Substratzulauf der aktuelle Zustand des Fermentationsprozesses charakterisiert wird und die Sollwerte für die die Stickstoff- und Phosphorkonzentration im Fermentor bestimmenden Regler ermittelt werden.

- j - &Ζ3ΧΙ ο»»ρ υ

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Steuerung eines Bioreaktors besteht aus dem Bioreaktor (Fermentor), 7 Operatoren (1 Identifikator, 3 Determinatoren und 3 Kalkulatoren) sowie zwei Reglern. Die für die Informationsgewinnung über Menge und Zusammensetzung der Stoffströme erforderliche Meß-, Analysen- und Stelltechnik sowie die zur Realisierung der von den Reglern ausgegebenen Stellwerte wird als vorhanden und dem Stand der Technik entsprechend vorausgesetzt. Auf der Basis von prozeßspezifischen kausalen Zusammenhängen zwischen der Fermentorablaufmenge und der Biomasse-, der Phosphor- und der Stickstoffkonzentration im Fermentorablauf (z.B. in Form von Modellen) wird durch einen Identifikator aus der Information über den zeitlichen Verlauf der Meß- bzw. Analysenwerte dieser Größen der Prozeßzustand charakterisiert, und durch einen ersten Determinator werden die erförderlichen Korrekturen für die Dosierung von Stickstoff und Phosphor bestimmt. Der aktuelle Zustand der Versorgung des Bioreaktors mit Stickstoff, Phosphor sowie der Kohlenstoffquelle wird durch drei Kalkulatoren aus den Meßwerten über die dem Bioreaktor zugeführten Mengen sowie aus den Analysenwerten für die Konzentrationen von Stickstoff, Phosphor und der Kohlenstoffquelle bestimmt.

Die Information über die akutelle Versorgung mit Stickstoff und mit der Kohlenstoffquelle wird dem zweiten Determinator zugeleitet. Dieser bestimmt aus diesen Informationen sowie aus der vom ersten Determinator übergebenen Information den Sollwert für den die Stickstoffdqsierurig regejnden Mengenregler. Die Information über die aktuelle Versorgung mit Phosphor und mit Stickstoff wird einem dritten Determinator zugeleitet. Dieser bestimmt aus diesen Informationen sowie aus der vom ersten Determinator übergebenen Information den Sollwert für den die Phosphordosierung regelnden Mengenregler.

Ausführungsbeispiel · <

Die Erfindung soli an nachstehendem Ausführungsbeispiel erläutert werden. Figur 1 zeigt das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung.

Beispiel ' - ,

Der Identifikator 2 erhält über die Signalleitung 21 die Information über die aus dem Bioreaktor abgeführte Menge an Biomassesuspension sowie über die Konzentrationen von Biomasse, Stickstoff und Phosphor in dieser Suspension. Über die Signalleitung 22 erhält der Determinator 3 vom Identifikator die Informationen zur Charakterisierung des aktuellen Prozeßzustandes. . <

Der Determinator übergibt über die Signalleitungen 23 die Information zur Korrektur der Phosphordosierung und über die Signalleitung 24 die Information zur Korrektur der Stickstoffdosierung. Der Kalkulator 4 erhält über die Signalleitung 16 die /Information über die Menge der aus den Aufarbeitungsstufen rückgeführten Stoffströme sowie die Information über die Phosphorkonzentration in diesen Strömen und über die Signalleitung 18 die Information über die Menge sowie über die Phosphorkonzentration in dem Dosierstrom der Phosphorquelle.

Der Kalkufyor 5 erhält über die Signalleitung 17 die Information über die Menge der rückgeführten Stoffströme sowie über die Stickstoffkonzentration in diesen Stoffströmen sowie über die Signalleitung 19 die Information über die Menge sowie über die Stickstoffkonzentration in dem Dosierstrom der Phosphorquelle.

Der Kalkulator 6 erhält über die Signalleitung 20 die Information über die Menge sowie über die Konzentration der Kohlenstoffquelle im Dosierstrom der Kohlenstoffquelle. Der Determinator 7 erhält vom Kalkulator 4 über die Signalleitung 25 die Information über die dem Bioreaktor zugeführte Phosphormenge, über die Signalleitung 23 vom Determinator 3 die Information über die zur Gewährleistung optimaler Bedingungen notwendige Korrektur der Phosphorversorgung sowie über die Signalleitung 26 vom Kalkulator 5 die Information über die dem Bioreaktor zugeführte Stickstoff menge und übergibt über die Signalleitung 29 an den Regler 9 den Sollwert für die über die Dosierleitung 11 dem Bioreaktor zuzuführende Menge des Phosphor enthaltenden Stoffstromes. .

Der Determinator 8 erhält vom Kalkulator 5 über die Signalleitung 27 die Information über die dem Bioreaktor zugeführte Stickstoffmenge, über die Signalleitung 24 vom Determinator 3 die Information über die zur Gewährleistung optimaler Bedingungen notwendige Korrektur der Stickstoffversorgung sowie über die Signalleitung 28 vom Kalkulator 6 die Information über die dem Bioreaktor zugeführte Menge der Kohlenstoffquelle und übergibt über die Signalleitung 30 an den Regler 10 den Spllwert für die dem Bioreaktor zuzuführende Menge des Stickstoff enthaltenden Stoffstromes. Die Regler 9 und 10 sind mit den Dosierleitungen 11 und 12 bzw. den zu den Posierleitungen gehörenden Meß-und Stelleinrichtungen über die Signalleitungen 31 und 32 bzw. 33 und 34gekoppelt.

Claims (1)

1. -2- £OV OtO U

   Erfindungsanspruch:

   Schaltungsanordnung zur Steuerung der optimalen Stickstoff- und Phosphorversorgung von Fermentationsprozessen, gekennzeichnet dadurch, daß)einem Identifikator (2), der mit der Fermentorablaufleitung (15) verbunden ist, ein Determinates (3) nachgeschaltet und der Determinator (3) den Determinatoren (7) und (8) vorgeschaltet ist und daß ein dem Determinator (67) vorgeschalteter Kalkulator (4) mit dem die Phosphorquelle enthaltenden Stoffstrom (11) sowie dem Stoffstrom (14) gekoppelt ist, der die von der Aufarbeitung rückgeführten Produkte enthält, und daß der Kalkulator (5), der mit dem die Stickstoffquelle enthaltenden Stoffstrom (12) sowie dem Stoffstrom (14) gekoppelt ist, dem Determinator (7) und dem Determinator (8) vorgeschaltet und der mit der Zuführungsleitung für die Kohlenstoffquelle (13) gekoppelte Kalkulator (6) dem Determinator (8) vorgeschaltet ist und'daß der mit der Zuführungsleitung für die Phosphorquelle (11) gekoppelte Regler (9) dem Determinator (7) und der mit der Zuführungsleitung für die Stickstoffquelle (12) gekoppelte Regler (10) dem Determinator (8) nachgeschaltet ist. ν

   Hierzu 1 Seite Zeichnung j